Concetti Chiave
- Il calore è una forma di energia non conservativa e deve essere considerato in condizioni specifiche, come a pressione costante, per analizzarne il comportamento.
- Il calore specifico è definito come il calore necessario per aumentare di 1°C un kg di materiale, con valori specifici come quello dell'acqua che è 4,186 kJ/kg°C.
- L'entropia misura il grado di disordine di un sistema, aumentando quando si passa da stati ordinati a stati disordinati o quando aumenta il numero di molecole.
- La spontaneità di una reazione chimica è determinata dall'aumento di entropia dell'universo e dalla variazione di energia libera di Gibbs, ∆G, che deve essere negativa per la spontaneità.
- Le reazioni esotermiche liberano calore (segno negativo), mentre le reazioni endotermiche assorbono calore (segno positivo), influenzando così la spontaneità delle reazioni stesse.
Il calore è una forma di energia di seconda specie che non è una funzione di stato, va quindi trattata con molta cautela.
Vi sono molti tipi di energia: per esempio l’energia meccanica è la più facile da descrivere poiché agisce sempre quando appare uno spostamento. Vi sono invece scambi di calore quando vi è una variazione di temperatura , essi però non sono “infiniti”: in un certo momento la temperatura smette di aumentare, si parla di stasi termica. L’energia termica si trasmette inoltre solo da un corpo a temperatura più alta a uno a temperatura più bassa.
Funzione di stato e entalpia
Funzione di stato: una funzione è di stato se la sua variazione dipende esclusivamente dal punto di partenza al punto di arrivo, indipendentemente dal percorso seguito.
Per tutte queste ragioni quando abbiamo a che fare con il calore ci conviene considerarlo in una situazione ben precisa, ovvero a pressione costante, ma allora non si parlerà di calore bensì della sua funzione di stato, detta entalpia.
Calore specifico e convenzioni
Il calore specifico di un materiale corrisponde al calore necessario per far aumentare di 1°C un kg di massa. Quello dell’acqua è 4,186 k•J/kg•°C, ovvero una kcal.
Useremo la convenzione detta “egoistica” dove tutto “gira attorno” al sistema: quello che è a vantaggio del sistema avrà, quindi, segno positivo, quello che invece abbandona il sistema avrà, invece, segno negativo.
Una reazione è esotermica quando il calore abbandona il sistema, e quindi ha segno negativo.
Una reazione è endotermica quando il calore entra nel sistema, e quindi ha segno positivo.
LEGGE DI HESS
Entropia e disordine molecolare
Entropia (S)
L’entropia è una grandezza termodinamica da adottare come misura del grado di disordine di un sistema, si indica con il simbolo S e si misura in J · K-1 · mol-1. Per ogni processo di trasformazione è possibile determinare la variazione di entropia ∆S calcolando la differenza tra l'entropia dei prodotti e quella dei reagenti:
Generalmente ∆S è maggiore di 0 quando nella reazione si passa da reagenti ad uno stato con struttura molecolare ordinata e compatta a dei prodotti la cui struttura interna è disordinata. Ecco quindi che l’entropia aumenta nel passaggio da solido a liquido e a gas.
Un’altra causale dell’aumento di S è l’aumento del numero delle molecole: se il numero delle molecole dei prodotti è maggiore del numero delle molecole dei reagenti, ∆S>0.
Spontaneità delle reazioni
Lo scopo della termochimica non è solo determinare quanto calore necessita/libera una reazione, ma anche determinare se essa è spontanea.
Il secondo principio della termodinamica afferma: “Una reazione per essere spontanea deve provocare un aumento di entropia dell’universo”
Vi sono due casi in cui queste informazioni sono sufficienti per determinare la spontaneità di una reazione.
∆Ss > 0 & ∆Sa > 0 —> Reazione sempre spontanea
∆Ss Reazione mai spontanea
Negli altri casi abbiamo bisogno di una nuova grandezza.
Una reazione per essere spontanea deve avere ∆G minore di 0
Dove T in kelvin è la temperatura a cui avviene la reazione.
Grazie a questa formula possiamo determinare la temperatura di equilibrio, ovvero la temperatura sopra o sotto la quale la reazione è spontanea.
Il ∆S della reazione ci da informazioni sul ∆S del sistema: se esso è maggiore di 0, sarà maggiore anche il ∆S del sistemare viceversa.
Il ∆H della reazione e ci da informazioni sul ∆S dell’ambiente: se esso è negativo, il ∆S dell’ambienta aumenta, e viceversa.
Possiamo quindi dire che:
∆H negativo —> elemento a favore della spontaneità
∆H positivo —> elemento contro la spontaneità
∆S positivo —> elemento a favore della spontaneità
∆S negativo —> elemento contro la spontaneità
In conclusione:
∆G = + ∆H - (-T∆S) —> reazione mai spontanea poiché G>0
∆G = - ∆H - (+T∆S) —> reazione sempre spontanea
∆G = + ∆H - (+T∆S) —> reazione spontanea se T>Teq
∆G = - ∆H - (-T∆S) —> reazione spontanea se T
Domande da interrogazione
- Qual è la differenza tra calore e entalpia?
- Come si definisce il calore specifico e qual è il suo valore per l'acqua?
- Cosa indica l'entropia e come si calcola la sua variazione?
- Qual è il secondo principio della termodinamica riguardo alla spontaneità delle reazioni?
- Come influiscono ∆H e ∆S sulla spontaneità di una reazione?
Il calore è una forma di energia che non è una funzione di stato e deve essere trattato con cautela, mentre l'entalpia è una funzione di stato che si considera a pressione costante, rappresentando il calore in determinate condizioni (testo).
Il calore specifico è il calore necessario per aumentare di 1°C un kg di massa; per l'acqua, il valore è 4,186 k•J/kg•°C, equivalente a una kcal (testo).
L'entropia è una misura del grado di disordine di un sistema, indicata con S, e la sua variazione ∆S si calcola come la differenza tra l'entropia dei prodotti e quella dei reagenti (testo).
Il secondo principio afferma che una reazione è spontanea se provoca un aumento di entropia dell'universo, con specifiche condizioni per determinare la spontaneità (testo).
La spontaneità di una reazione è influenzata da ∆H e ∆S: ∆H negativo e ∆S positivo favoriscono la spontaneità, mentre i valori opposti la ostacolano (testo).
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